Machine Learning Algorithms for Provisioning Cloud/Edge Applications

Mención Internacional en el título de doctorReinforcement Learning (RL), in which an agent is trained to make the most favourable decisions in the long run, is an established technique in artificial intelligence. Its popularity has increased in the recent past, largely due to the development of deep neural networks spawning deep reinforcement learning algorithms such as Deep Q-Learning. The latter have been used to solve previously insurmountable problems, such as playing the famed game of “Go” that previous algorithms could not. Many such problems suffer the curse of dimensionality, in which the sheer number of possible states is so overwhelming that it is impractical to explore every possible option. While these recent techniques have been successful, they may not be strictly necessary or practical for some applications such as cloud provisioning. In these situations, the action space is not as vast and workload data required to train such systems is not as widely shared, as it is considered commercialy sensitive by the Application Service Provider (ASP). Given that provisioning decisions evolve over time in sympathy to incident workloads, they fit into the sequential decision process problem that legacy RL was designed to solve. However because of the high correlation of time series data, states are not independent of each other and the legacy Markov Decision Processes (MDPs) have to be cleverly adapted to create robust provisioning algorithms. As the first contribution of this thesis, we exploit the knowledge of both the application and configuration to create an adaptive provisioning system leveraging stationary Markov distributions. We then develop algorithms that, with neither application nor configuration knowledge, solve the underlying Markov Decision Process (MDP) to create provisioning systems. Our Q-Learning algorithms factor in the correlation between states and the consequent transitions between them to create provisioning systems that do not only adapt to workloads, but can also exploit similarities between them, thereby reducing the retraining overhead. Our algorithms also exhibit convergence in fewer learning steps given that we restructure the state and action spaces to avoid the curse of dimensionality without the need for the function approximation approach taken by deep Q-Learning systems. A crucial use-case of future networks will be the support of low-latency applications involving highly mobile users. With these in mind, the European Telecommunications Standards Institute (ETSI) has proposed the Multi-access Edge Computing (MEC) architecture, in which computing capabilities can be located close to the network edge, where the data is generated. Provisioning for such applications therefore entails migrating them to the most suitable location on the network edge as the users move. In this thesis, we also tackle this type of provisioning by considering vehicle platooning or Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) on the edge. We show that our Q-Learning algorithm can be adapted to minimize the number of migrations required to effectively run such an application on MEC hosts, which may also be subject to traffic from other competing applications.This work has been supported by IMDEA Networks InstitutePrograma de Doctorado en Ingeniería Telemática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Antonio Fernández Anta.- Secretario: Diego Perino.- Vocal: Ilenia Tinnirell

MINIMIZATION OF RESOURCE CONSUMPTION THROUGH WORKLOAD CONSOLIDATION IN LARGE-SCALE DISTRIBUTED DATA PLATFORMS

The rapid increase in the data volumes encountered in many application domains has led to widespread adoption of parallel and distributed data management systems like parallel databases and MapReduce-based frameworks (e.g., Hadoop) in recent years. Use of such parallel and distributed frameworks is expected to accelerate in the coming years, putting further strain on already-scarce resources like compute power, network bandwidth, and energy. To reduce total execution times, there is a trend towards increasing execution parallelism by spreading out data across a large number of machines. However, this often increases the total resource consumption, and especially energy consumption, significantly because of process startup costs and other overheads (e.g., communication overheads). In this dissertation, we develop several data management techniques to minimize resource consumption through workload consolidation. In this dissertation, we introduce a key metric called query span, i.e., number of machines involved in the execution of a query or a job. In order to minimize the per query resource consumption we propose to minimize query span. To that end, we develop several workload-driven data partitioning and replica selection algorithms that attempt to minimize the average query span by exploiting the fact that most distributed environments need to use replication for fault tolerance. Extensive experiments on various datasets show that judicious data placement and replication can dramatically reduce the average query spans resulting in significant reductions in resource consumption. We show our results primarily on two applications, distributed data warehouse system and distributed information retrieval. In the first case, we show that minimizing average query spans can minimize overall resource consumption for a given workload and can also improve the performance of complex analytical queries. In the second case, our approach minimizes the overall search cost as well as effectively trades off search cost with load imbalance. The best case of resource efficiency for any underlying data processing system is achieved when the job or the query can be run efficiently on a single machine (i.e., query span=1). In the final part of dissertation, we discuss an in-memory MapReduce system optimized for performing complex analytics tasks on input data sizes that fit in a single machine's memory. We argue that systems like Hadoop that are designed to operate across a large number of machines are not optimal in performance for small and medium sized complex analytics tasks because of high startup costs, heavy disk activity, and wasteful checkpointing. We have developed a prototype runtime called HONE that is API compatible with standard (distributed) Hadoop. In other words, we can take existing Hadoop code and run it, without modification, on a multi-core shared memory machine. This allows us to take existing Hadoop algorithms and find the most suitable runtime environment for execution on datasets of varying sizes. Overall, in this dissertation, our key contributions in this work include identification of key metric query span and its relationship with overall resource consumption in scale-out architectures. We introduce several workload-aware techniques to optimize this key metric. We go on to demonstrate the effectiveness of query span minimization on different application scenarios. In order to take advantage of scale-up architectures effectively we develop novel in-memory MapReduce system HONE for single machine. Our thorough experiments on real and synthetic datasets demonstrate the efficacy of our proposed approaches

Comparative studies of conceptual design and qualification procedures for a Mars probe/lander. Volume V - Subsystem and technical analyses. Book 4 - Instrumentation Final report

Mars probe instrumentation selection, systems interface, and payload definitio

Energy-efficient Communications in Cloud, Mobile Cloud and Fog Computing

This thesis studies the problem of energy efficiency of communications in distributed computing paradigms, including cloud computing, mobile cloud computing and fog/edge computing. Distributed computing paradigms have significantly changed the way of doing business. With cloud computing, companies and end users can access the vast majority services online through a virtualized environment in a pay-as-you-go basis. %Three are the main services typically consumed by cloud users are Infrastructure as a Service (IaaS), Platform as a Service (PaaS) and Software as a Service (SaaS). Mobile cloud and fog/edge computing are the natural extension of the cloud computing paradigm for mobile and Internet of Things (IoT) devices. Based on offloading, the process of outsourcing computing tasks from mobile devices to the cloud, mobile cloud and fog/edge computing paradigms have become popular techniques to augment the capabilities of the mobile devices and to reduce their battery drain. Being equipped with a number of sensors, the proliferation of mobile and IoT devices has given rise to a new cloud-based paradigm for collecting data, which is called mobile crowdsensing as for proper operation it requires a large number of participants. A plethora of communication technologies is applicable to distributing computing paradigms. For example, cloud data centers typically implement wired technologies while mobile cloud and fog/edge environments exploit wireless technologies such as 3G/4G, WiFi and Bluetooth. Communication technologies directly impact the performance and the energy drain of the system. This Ph.D. thesis analyzes from a global perspective the efficiency in using energy of communications systems in distributed computing paradigms. In particular, the following contributions are proposed: - A new framework of performance metrics for communication systems of cloud computing data centers. The proposed framework allows a fine-grain analysis and comparison of communication systems, processes, and protocols, defining their influence on the performance of cloud applications. - A novel model for the problem of computation offloading, which describes the workflow of mobile applications through a new Directed Acyclic Graph (DAG) technique. This methodology is suitable for IoT devices working in fog computing environments and was used to design an Android application, called TreeGlass, which performs recognition of trees using Google Glass. TreeGlass is evaluated experimentally in different offloading scenarios by measuring battery drain and time of execution as key performance indicators. - In mobile crowdsensing systems, novel performance metrics and a new framework for data acquisition, which exploits a new policy for user recruitment. Performance of the framework are validated through CrowdSenSim, which is a new simulator designed for mobile crowdsensing activities in large scale urban scenarios

A Pareto-based Metaheuristic for Scheduling HPC Applications on a Geographically Distributed Cloud Federation

International audienceReducing energy consumption is an increasingly important issue in cloud computing, more specif- ically when dealing with High Performance Comput- ing (HPC). Minimizing energy consumption can signif- icantly reduce the amount of energy bills and then in- crease the provider's profit. In addition, the reduction of energy decreases greenhouse gas emissions. Therefore, many researches are carried out to develop new methods in order to make HPC applications consuming less energy. In this paper, we present a multi-objective genetic algorithm (MO-GA) that optimizes the energy consumption, CO2 emissions and the generated profit of a geographically distributed cloud computing infrastructure. We also propose a greedy heuristic that aims to maximize the number of scheduled applications in order to compare it with the MO-GA. The two approaches have been experimented using realistic workload traces from Feitelson's PWA Parallel Workload Archive. The results show that MO-GA outperforms the greedy heuristic by a significant margin in terms of energy consumption and CO2 emissions. In addition, MO-GA is also proved to be slightly better in terms of profit while scheduling more applications

The influence of different surface and heat treatments on the biaxial flexural strength of veneering ceramics for zirconia and strength reliability and mode of fracture of veneering ceramics

Tese de doutoramento, Medicina Dentária (Reabilitação Oral), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina Dentária, 2011New processing techniques have facilitated the use of Zirconia core materials in all-ceramic dental prostheses. Zirconia has many potential advantages compared to existing core materials; however its performance when layered with veneering ceramics has not been clearly evaluated. Moreover the veneering ceramics used with Zirconia may be ground, polished or glazed during laboratory procedures and/or clinical adjustments. These treatments may affect their strength by introducing microscopic flaws and defects. The purposes of this study were to investigate the effects of surface treatments on the mean biaxial flexural strength of three feldspathic veneering ceramics used to layer Zirconia cores: NobelRondoTM Zirconia veneer ceramic (Nobel BiocareTM AB, Sweden), LavaTM Ceram veneer ceramic (3MTM, ESPETM, Germany), and Vita® VM®9 veneer ceramic (Vita®, Zahnfabrick, Germany) and compare the mean biaxial flexural strength, its reliability, and mode of fracture of bilayered Zirconia discs veneered with the three feldspathic veneering ceramics. For the first part of the study one hundred and eighty monolithic disc specimens (12.7 mm x 2.2mm), sixty for each feldspathic veneering ceramic were prepared according to the manufacturer’s instruction and divided into eighteen groups, 6 groups for each feldspathic veneering ceramic with 10 specimens for each group. The six groups for each feldspathic veneering ceramic were untreated, grounded, grounded and polished, grounded and glazed, grounded polished and glazed and polished and glazed. Mean biaxial flexural strength and Weibull modulus were appraised. Statistical significance Summary 236 among groups of population was analyzed using one-way and two-way ANOVA and Fisher's PLSD comparison tests. For the second part of the study sixty bilayered disc specimens (12.7 mm x 2.2 mm), twenty for each feldspathic veneering ceramic were prepared using sixty Zirconia core discs (12.7 mm x 1.1 mm) layered with the three feldspathic veneering ceramics according to the manufacturer’s instruction and divided into 6 groups of 10 specimens for each material. Mean biaxial flexural strength and Weibull modulus were appraised, and a scanning electron microscope was used to describe surface features. Statistical significance among groups of population was analyzed using two-way ANOVA, Fisher's PLSD and Student’s t-test comparison tests. For the first part of the study and when the veneering ceramics were analyzed together the data provided strong evidence that there was a significant difference in biaxial flexural strength between the grinding groups and all other groups. When the feldspathic veneering ceramics were analyzed individually data revealed more heterogeneity between the mean biaxial strength of different groups. However, grinding decrease the strength of veneering ceramics and in some cases significantly. For this reason, grinding should always be avoided if any other procedure is to be done, as this will either create or change the developed crack dimensions or increase the volume loss. Conversely polishing and glazing improved the strength of all materials and in same cases significantly. These procedures are recommended to counteract the detrimental effects of grinding which was related to the ability of the procedures to improve the condition of the ceramic’s surface and free it from various defects and flaws. The Weibull modulus values for the veneering ceramics tested varied with different treatments. They showed higher values for polished, glazed and untreated groups, and lower values for ground groups. For the bilayered specimens when the veneering ceramics were Summary 237 analyzed together, specimens with the core material on the bottom surface were statistically stronger and more reliable than those with the veneering ceramics on the bottom surface. When analyzed individually only in the NobelRondoTM Zirconia veneer ceramic there was no significant difference when the core material or the veneering ceramic was on the bottom surface. Two different modes of fracture were observed in the bilayered specimens according to which material was on the bottom surface. The material that underwent tensile stress dictated the strength, reliability, and fracture mode of the specimens. The design of the restorations and the actual distribution of the tensile stresses must be taken into account, otherwise the significant contribution of stronger and tougher core materials to the performance of all-ceramic Zirconia-based restorations may be offset by the weaker veneering ceramics.Com o objectivo de ultrapassar as limitações dos materiais em cerâmica pura tradicionais, diversas companhias introduziram em medicina dentária reabilitadora um material de elevada resistência composto por cerâmica de Zircónia. A sua aplicação em prostodontia está a emergir devido fundamentalmente às suas excelentes propriedades mecânicas, biológicas e estéticas e ao desenvolvimento de novas tecnologias, como a tecnologia CAD/CAM, que permitem a confecção de coroas unitárias e próteses parciais fixas de uma forma standardizada e eficiente. Apesar das enormes e aparentes vantagens da Zircónia, comparativamente aos materiais cerâmicos tradicionais utilizados como infraestrutura de restaurações protéticas, o seu desempenho clínico quando estratificada com cerâmicas feldspáticas de revestimento não tem sido até agora avaliada com evidência. Do ponto de vista da selecção de material, a substituição de materiais cerâmicos tradicionais ou mesmo alumina por Zircónia com maior resistência deveria melhorar a performance clínica das coroas tendo como referência a origem da fractura. No entanto, a resistência das cerâmicas feldspáticas, e consequentemente de uma restauração em cerâmica pura com núcleo de Zircónia, está dependente do grau de polimento final da restauração e dos diferentes procedimentos de fabricação no laboratório e ou ajustes clínicos que possibilitem uma correcta adaptação e ou oclusão. Os procedimentos de processamento e ou ajustes clínicos são passíveis de provocar pequenos defeitos microcópicos e ou fissuras sub-críticas, que poderão ser Resumo 240 acompanhados por uma alteração e consequente redução de resistência à fractura. A presença destas fissuras pode como consequência de carga clínica e ou presença de humidade crescer para uma situação crítica limite levando a falha catastrófica. O efeito dos procedimentos de processamento de materiais cerâmicos tem sido estudado por numerosos investigadores. No entanto, existe ainda controvérsia no que respeita ao melhor método para produzir a superfície mais polida e resistente. No sentido de avaliar todas estas suposições os objectivos deste estudo foram avaliar a resistência à fractura medida através da resistência à flexão biaxial de cerâmicas feldspáticas de revestimento de Zircónia quando submetidas a tratamentos de superfície nomeadamente, desgaste, polimento e tratamento térmico; e avaliar a resistência, a fiabilidade e o modo de fractura de restaurações em cerâmica pura com infra-estrutura de Zircónia estratificadas com diferentes cerâmicas de revestimento. Para alcançar estes objectivos, foram efectuadas avaliações quantitativas da resistência à flexão biaxial, avaliações qualitativas da ultramorfologia e modo de fractura da interface cerâmica de revestimento – infraestrutura de Zircónia. A estratégia seguida levou à formulação das seguintes hipóteses experimentais: H1.0: Não existem diferenças significativas na resistência à fractura, medida em termos de resistência à flexão biaxial, entre os diferentes tratamentos de superfície no conjunto das cerâmicas feldspáticas de revestimento. H1.1: Existem diferenças significativas na resistência à fractura, medida em termos de resistência à flexão biaxial, entre os diferentes tratamentos de superfície no conjunto das cerâmicas feldspáticas de revestimento. Resumo 241 H2.0: Não existem diferenças significativas na resistência à fractura, medida em termos de resistência à flexão biaxial, entre os diferentes tratamentos de superfície em cada uma das cerâmicas feldspáticas de revestimento. H2.1: Existem diferenças significativas na resistência à fractura, medida em termos de resistência à flexão biaxial, entre os diferentes tratamentos de superfície em cada uma das cerâmicas feldspáticas de revestimento. H3.0: Não existem diferenças significativas na resistência à fractura, medida em termos de resistência à flexão biaxial, no conjunto das cerâmicas feldspáticas de revestimento/infra-estruturas de Zircónia independentemente do material submetido a stress tensional. H3.1: Existem diferenças significativas na resistência à fractura, medida em termos de resistência à flexão biaxial, no conjunto das cerâmicas feldspáticas de revestimento/infra-estruturas de Zircónia independentemente do material submetido a stress tensional. H4.0: Não existem diferenças significativas na resistência à fractura, medida em termos de resistência à flexão biaxial, em cada uma das cerâmicas feldspáticas de revestimento/infra-estruturas de Zircónia independentemente do material submetido a stress tensional. H4.1: Existem diferenças significativas na resistência à fractura, medida em termos de resistência à flexão biaxial, em cada uma das cerâmicas feldspáticas de revestimento/infra-estruturas de Zircónia independentemente do material submetido a stress tensional. H5.0: Não existem diferenças significativas no modo de fractura das cerâmicas feldspáticas de revestimento/infra-estruturas de Zircónia Resumo 242 independentemente do material submetido a stress tensional. H5.1: Existem diferenças significativas no modo de fractura das cerâmicas feldspáticas de revestimento/infra-estruturas de Zircónia independentemente do material submetido a stress tensional. Na primeira parte da investigação uma amostra de conveniência de cento e oitenta (180) espécimes em forma de disco (12.7 mm x 2.2 mm) foram preparados e usados neste estudo. Os discos foram fabricados com cerâmica feldspática utilizada para estratificar infra-estruturas de Zircónia 3YTZP de três (3) marcas comerciais: NobelRondoTM Zirconia veneer ceramic (Nobel BiocareTM AB, Suécia), LavaTM Ceram veneer ceramic (3MTM, ESPETM, Alemanha), e Vita® VM®9 veneer ceramic (Vita®, Zahnfabrick, Alemanha). Sessenta (60) espécimes monolíticos de cada cerâmica foram fabricadas de acordo com as instruções ISO/DIS 6872: 1995 (three-point and biaxial flexural strength) usando um molde de aço inoxidável (ISO/DIS 6872: 1995). O líquido de mistura e o pó cerâmico foram combinados nas proporções recomendadas pelo fabricante. A mistura resultante de cerâmica feldspática foi vibrada e compactada no molde e posteriormente sinterizada em forno específico para cerâmica (Programat P500, Ivoclar Vivadent AG, Liechtenstein). Após a primeira sinterização mais cerâmica foi adicionada por forma a compensar a contracção resultante da primeira sinterização. Os discos de cerâmica produzidos foram examinados com um estereomicroscópio (Nikon SMZ-U, Tokyo, Japan) com uma ampliação X75 para avaliar a presença de pequenas fissuras ou poros. Espécimes que demonstrassem defeitos visíveis foram substituídos. A superficie de todas os espécimes foi posteriormente polida com discos de carbureto de silício (grão P220, P500, P1200 - Ultra-Prep, Buehler Ltd., Lake Bluff, IL, EUA) numa lixadora mecânica (Ecomet® 3, Buehler Ltd., Lake Buff, IL, EUA) de acordo Resumo 243 com ISO 6344-1: 1998 (ISO/DIS 6344-1: 1998). Este procedimento foi efectuado até serem obtidos espécimes com 2.2(± 0.1) mm por 12.7(± 0.1) mm de espessura e diâmetro respectivamente. Um transportador especial de aço inoxidável foi utilizado para assegurar a uniformização da espessura e paralelismo das superficies durante o corte e polimento. As dimensões dos espécimes foram avaliadas através da utilização de um medidor digital (Digimatic Caliper Series 500, Mitutoyo America Corporation, Aurora, IL, EUA) por forma a garantir espessura e diâmetros exactos. Finalmente, todas os espécimes foram limpas com água destilada num banho de ultra-sons (Eurosonic® 4D, Euronda, Vicenza, Italia) durante 15 minutos e posteriormente colocados no forno específico para cerâmica onde foram auto-glazeados. Após o glaze, a espessura final e o diâmetro foram novamente avaliados através da utilização do mesmo medidor digital até ao centésimo de milimetro. Os cento e oitenta (180) espécimes foram aleatoriamente distribuidos por dezoito grupos, seis grupos para cada cerâmica, cada grupo composto por dez espécimes. Os seis grupos experimentais de cada cerâmica foram fabricados como anteriormente descrito e submetidos aos seguintes tratamentos de superfície: 1) preparação segundo as instruções do fabricante (grupo de controlo) (C), 2) com desgaste/corte da superfície com instrumento de diamante (G), 3) com desgaste/corte da superfície com instrumento de diamante seguido de glaze (GG), 4) com desgaste/corte da superfície com instrumento de diamante seguido de polimento (GP), 5) com desgaste/corte da superfície com instrumento de diamante seguido de polimento e glaze (GPG), 6) Com polimento da superfície seguido de glaze (PG). A resistência máxima à fractura foi medida através do método “pistonon- three-ball” utilizando uma máquina de testes mecânicos universal Instron (Modelo TT-BM Instron Corp., Canton, MA), e de acordo com o standard ISO/DIS 6872 para cerâmicas dentárias (ISO/DIS 6872: 1995). A resistência Resumo 244 máxima à fractura (N) foi registada e conjugada com a seguinte formula (ASTM F 394-78, 1996), por forma a obter e calcular a resistência à flexão biaxial para cada espécime: S = - 0.2387 P(X – Y)/d2 (ISO/DIS 6872: 1995). Conjuntamente foi calculado o Weibull modulus para a resistência à flexão biaxial obtida. A análise estatística dos resultados foi efectuada através da utilização do método one-way and two-way ANOVA com ajustamento de Fisher's PLSD post-hoc para comparações múltiplas (p=0.05), para avaliar as diferenças de resistência à fractura entre grupos. Na segunda parte da investigação uma amostra de coveniência de sessenta (60) espécimes em forma de disco (12.7 mm x 2.2 mm) foram preparados e usados neste estudo. Os discos foram fabricados utilizando sessenta discos de Zircónia 3Y-TZP produzidos por CAD/CAM (Nobel BiocareTM AB, Suécia) (12.7 mm x 1.1 mm) que foram revestidos com cerâmica feldspática utilizada para estratificar infra-estruturas de Zircónia 3YTZP de três (3) marcas comerciais: NobelRondoTM Zirconia veneer ceramic (Nobel BiocareTM AB, Suécia), LavaTM Ceram veneer ceramic (3MTM, ESPETM, Alemanha), e Vita® VM®9 veneer ceramic (Vita®, Zahnfabrick, Alemanha). A preparação dos sessenta (60) espécimes, vinte (20) de cada cerâmica foi efectuada de acordo com as instruções ISO/DIS 6872: 1995 (three-point and biaxial flexural strength) (ISO/DIS 6872: 1995) usando as recomendações específicas de cada fabricante e de acordo com o procedimento efectado para os espécimes monolíticos de cada cerâmica. Os sessenta (60) espécimes foram aleatoriamente distribuidos por seis grupos, dois grupos para cada cerâmica, cada grupo composto por dez espécimes. A resistênicia máxima à fractura foi medida através do método pistonon- three-ball utilizando uma máquina de testes mecânicos universal Instron Resumo 245 (Modelo TT-BM Instron Corp., Canton, MA), e de acordo com o standard ISO/DIS 6872 para cerâmicas dentárias (ISO/DIS 6872: 1995). Em trinta (30) espécimes, dez por cerâmica, a força foi aplicada na cerâmica felsdpática de revestimento. Nos restante trinta (30), dez por cerâmica, a força foi aplicada na infra-estrutura de Zircónia. O objectivo de inverter a posição dos espécimes foi perceber a influência que a cerâmica de revestimento teria na origem interna ou externa da fractura do material. A máxima resistência à fractura (N) foi registada e conjugada com a seguinte formula (ASTM F 394- 78, 1996), por forma a obter e calcular a resistência à flexão biaxial para cada especime: S = - 0.2387 P(X – Y)/d2 (ISO/DIS 6872: 1995). Conjuntamente foi calculado o Weibull modulus para a resistência à flexão biaxial obtida. A análise estatística dos resultados foi efectuada através da utilização do método two-way ANOVA com ajustamento de Fisher's PLSD post-hoc e Student’s t-test para comparações múltiplas (p=0.05), para avaliar as diferenças de resistência à fractura entre grupos. Após os testes de fractura todos os espécimes foram analisados com um estereomicrocópio (Nikon SMZ-U, Tokyo, Japan) com uma ampliação de X75 no sentido de caracterizar a origem e modo de fractura. A caracterização morfológica dos diferentes tipos de fractura registados na interface Zircónia/cerâmica feldspática de revestimento foi efectuada através da utilização de microcopia electrónica de varrimento (SEM) (Amray 1820, Bedford, MA, USA). Seis espécimes representativos, dois de cada grupo, foram seleccionados e fotografias de diferentes amplitudes foram efectudas. Os resultados para a primeira parte do estudo demonstraram que quando as cerâmicas feldspáticas de revestimento são analizadas em conjunto, os grupos de desgaste (G) apresentarm diferenças significativas em relação a todos os outros grupos. Foram encontradas também diferenças significativas entre os grupos de controlo (C) e os grupos de polimento/glaze (PG). Nenhuma outra diferença significativa de resistência à flexão biaxial, Resumo 246 entre os restantes grupos de tratamento de superfície foi encontrada. Quando as cerâmicas feldspáticas de revestimento foram analizadas individualmente, os resultados encontrados da resistência à flexão biaxial entre os diferentes grupos de tratamento de superfície, foram mais heterogéneos. No entanto, em todos as cerâmicas o tratamento de superfície de degaste/corte (G) provocou uma diminuição de resistência à flexão biaxial, e em alguns casos de forma estatisticamente significativa. Estes resultados sugerem que o desgaste da superfície destas cerâmicas deve ser sempre evitado se nenhum outro tratamento de superfície for efectuado posteriormente, uma vez que o desgaste ou corte com instrumento de diamante poderá criar ou alterar as dimensões de fissuras ou poros préexistententes diminuindo a resistência do material. Pelo contrário, os resultados da resistência à flexão biaxial para os tratamentos de superficie de polimento e/ou glaze (GG, GP, GPG, PG) melhoraram a resistência à flexão biaxial dos materiais cerâmicos, e em alguns casos de forma estatisticamente significativa. Os resultados sugerem que estes tratamentos de superfície limitam os efeitos do desgaste/corte, devido à sua capacidade para melhorar as condições da superfície da cerâmica, através da eliminação ou diminuição de defeitos, fissura e/ou poros. Os resultados sugerem que as diferenças de distribuição da resistência à flexão biaxial entre os diferentes grupos de tratamento de superfície estão mais dependentes da rugosidade de superfície de cada cerâmica e consequentemente do tratamento de superfície efectuado, do que com a sua estrutura; excepto quando a estrutura interna do material possa provocar uma concentração de stress superior aquela originada pela rugosidade de superfície e/ou a presença de poros ou fissuras. Os resultados encontrados demonstraram também, que os valores obtidos para as cerâmicas feldspáticas de revestimento para Zircónia (grupo de controlo), se encontram dentro dos valores que as cerâmicas feldspáticas Resumo 247 de revestimento nos sistemas metálicos apresentam. Os resultados encontrados para o Weibull modulus das três cerâmicas testadas são semelhantes aos valores obtidos para outras cerâmicas feldspáticas de revestimento. Valores mais elevados foram encontrados para os grupos de polimento, glaze e de controlo, demonstrando maior homogeneidade de valores obtidos, do que para os grupos de desgaste. Os resultados para a segunda parte do estudo demonstraram que, quando os valores da resistência à flexão biaxial das cerâmicas feldspáticas de revestimento/infra-estrutura Zircónia são analizadas em conjunto, os espécimes que foram testados com a infra-estrutura de Zircónia na superfície inferior, apresentaram valores estatisticamente superiores aqueles que apresentaram as cerâmicas feldspáticas de revestimento sob tensão. Quando analizadas individualmente apenas a NobelRondoTM Zirconia veneer ceramic não demonstrou diferenças significativas independentemente do material que era colocado sob tensão. Estes resultados demonstram, que o contributo de infra-estruturas mais resistentes no desempenho clínico de restaurações em cerâmica pura, poderá não ser significativo se o desenho da restauração não tiver em atenção a distribuição do stress tensional sobre ela exercido. Os resultados encontrados para o Weibull modulus das três cerâmicas testadas são semelhantes aos valores obtidos para outras cerâmicas feldspáticas de revestimento quando estratificadas sobre infra-estruturas diferentes da Zircónia. Valores mais elevados foram encontrados para os grupos que apresentavam a Zircónia sob tensão, evidenciando maior homogeneidade de valores obtidos. Dois modos de fractura diferentes foram predominantemente encontrados nos espécimes, dependendo do material que era colocado em tensão. Quando a Zircónia era colocada em tensão, um cone Hertziano estava presente na superfície da cerâmica feldspática em practicamente todos os espécimes. A presença deste cone, era acompanhado por traços de Resumo 248 fractura que se propagavam lateralmente causando eventual delaminação parcial da cerâmica feldspática de revestimento sem fractura da infraestrutura de Zircónia. Pelo contrário, quando as cerâmicas de revestimento eram colocadas sob tensão, a fractura

Secure Communication in Disaster Scenarios

Während Naturkatastrophen oder terroristischer Anschläge ist die bestehende Kommunikationsinfrastruktur häufig überlastet oder fällt komplett aus. In diesen Situationen können mobile Geräte mithilfe von drahtloser ad-hoc- und unterbrechungstoleranter Vernetzung miteinander verbunden werden, um ein Notfall-Kommunikationssystem für Zivilisten und Rettungsdienste einzurichten. Falls verfügbar, kann eine Verbindung zu Cloud-Diensten im Internet eine wertvolle Hilfe im Krisen- und Katastrophenmanagement sein. Solche Kommunikationssysteme bergen jedoch ernsthafte Sicherheitsrisiken, da Angreifer versuchen könnten, vertrauliche Daten zu stehlen, gefälschte Benachrichtigungen von Notfalldiensten einzuspeisen oder Denial-of-Service (DoS) Angriffe durchzuführen. Diese Dissertation schlägt neue Ansätze zur Kommunikation in Notfallnetzen von mobilen Geräten vor, die von der Kommunikation zwischen Mobilfunkgeräten bis zu Cloud-Diensten auf Servern im Internet reichen. Durch die Nutzung dieser Ansätze werden die Sicherheit der Geräte-zu-Geräte-Kommunikation, die Sicherheit von Notfall-Apps auf mobilen Geräten und die Sicherheit von Server-Systemen für Cloud-Dienste verbessert

Modelling, Dimensioning and Optimization of 5G Communication Networks, Resources and Services

This reprint aims to collect state-of-the-art research contributions that address challenges in the emerging 5G networks design, dimensioning and optimization. Designing, dimensioning and optimization of communication networks resources and services have been an inseparable part of telecom network development. The latter must convey a large volume of traffic, providing service to traffic streams with highly differentiated requirements in terms of bit-rate and service time, required quality of service and quality of experience parameters. Such a communication infrastructure presents many important challenges, such as the study of necessary multi-layer cooperation, new protocols, performance evaluation of different network parts, low layer network design, network management and security issues, and new technologies in general, which will be discussed in this book

Sustainable scheduling policies for radio access networks based on LTE technology

A thesis submitted to the University of Bedfordshire in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of PhilosophyIn the LTE access networks, the Radio Resource Management (RRM) is one of the most important modules which is responsible for handling the overall management of radio resources. The packet scheduler is a particular sub-module which assigns the existing radio resources to each user in order to deliver the requested services in the most efficient manner. Data packets are scheduled dynamically at every Transmission Time Interval (TTI), a time window used to take the user’s requests and to respond them accordingly. The scheduling procedure is conducted by using scheduling rules which select different users to be scheduled at each TTI based on some priority metrics. Various scheduling rules exist and they behave differently by balancing the scheduler performance in the direction imposed by one of the following objectives: increasing the system throughput, maintaining the user fairness, respecting the Guaranteed Bit Rate (GBR), Head of Line (HoL) packet delay, packet loss rate and queue stability requirements. Most of the static scheduling rules follow the sequential multi-objective optimization in the sense that when the first targeted objective is satisfied, then other objectives can be prioritized. When the targeted scheduling objective(s) can be satisfied at each TTI, the LTE scheduler is considered to be optimal or feasible. So, the scheduling performance depends on the exploited rule being focused on particular objectives. This study aims to increase the percentage of feasible TTIs for a given downlink transmission by applying a mixture of scheduling rules instead of using one discipline adopted across the entire scheduling session. Two types of optimization problems are proposed in this sense: Dynamic Scheduling Rule based Sequential Multi-Objective Optimization (DSR-SMOO) when the applied scheduling rules address the same objective and Dynamic Scheduling Rule based Concurrent Multi-Objective Optimization (DSR-CMOO) if the pool of rules addresses different scheduling objectives. The best way of solving such complex optimization problems is to adapt and to refine scheduling policies which are able to call different rules at each TTI based on the best matching scheduler conditions (states). The idea is to develop a set of non-linear functions which maps the scheduler state at each TTI in optimal distribution probabilities of selecting the best scheduling rule. Due to the multi-dimensional and continuous characteristics of the scheduler state space, the scheduling functions should be approximated. Moreover, the function approximations are learned through the interaction with the RRM environment. The Reinforcement Learning (RL) algorithms are used in this sense in order to evaluate and to refine the scheduling policies for the considered DSR-SMOO/CMOO optimization problems. The neural networks are used to train the non-linear mapping functions based on the interaction among the intelligent controller, the LTE packet scheduler and the RRM environment. In order to enhance the convergence in the feasible state and to reduce the scheduler state space dimension, meta-heuristic approaches are used for the channel statement aggregation. Simulation results show that the proposed aggregation scheme is able to outperform other heuristic methods. When the aggregation scheme of the channel statements is exploited, the proposed DSR-SMOO/CMOO problems focusing on different objectives which are solved by using various RL approaches are able to: increase the mean percentage of feasible TTIs, minimize the number of TTIs when the RL approaches punish the actions taken TTI-by-TTI, and minimize the variation of the performance indicators when different simulations are launched in parallel. This way, the obtained scheduling policies being focused on the multi-objective criteria are sustainable. Keywords: LTE, packet scheduling, scheduling rules, multi-objective optimization, reinforcement learning, channel, aggregation, scheduling policies, sustainable